- •161 “Електротехніка, електроніка і мікропроцесорна техніка”
- •Херсон – 2013 р.
- •Лекція 1. Вступ. Основні поняття і співвідношення в електричних колах. План
- •Зміст і структура дисципліни.
- •Прості кола постійного струму. Електричні схеми, елементи схем.
- •Закон Ома для ділянки кола.
- •Напруга на клемах джерела.
- •Енергетичні співвідношення. Закон Джоуля–Ленца. Баланс потужностей.
- •Лекція 2. Режими роботи електричних кіл. Розрахунок кіл постійного струму. План
- •Режими роботи електричних кіл.
- •Режими холостого ходу і короткого замикання.
- •Точки характерних режимів на зовнішній характеристиці джерела.
- •Джерело ерс та джерело струму.
- •Розрахунок кіл постійного струму. Способи з’єднання споживачів
- •З’єднання елементів живлення.
- •Послідовне з’єднання елементів.
- •Паралельне з’єднання елементів.
- •Змішане з’єднання елементів.
- •Розрахунок простих кіл електричного струму.
- •Розрахунок складних кіл. Закони Кірхгофа.
- •Перетворення трикутника опорів в еквівалентну зірку.
- •Лекція 3. Методи розрахунку складних електричних кіл. План
- •Розрахунок складних кіл постійного струму. Використання законів Кірхгофа для розрахунку складних кіл.
- •Метод суперпозиції.
- •Метод контурних струмів.
- •Метод вузлових напруг.
- •Зауваження щодо аналогій з фізичними системами іншої природи.
- •Метод еквівалентного генератора.
- •Опір r схеми визначається методом еквівалентних перетворень схеми до загального опору відносно клем a, b при відключеному навантаженні і заморочених внутрішніх ерс.
- •Лекція 4. Нелінійні опори та перехідні процеси. План
- •Нелінійні опори в колах постійного струму. Основні поняття.
- •Графічний метод розрахунку простих кіл з нелінійними опорами.
- •Коло з двома послідовними нелінійними опорами.
- •Коло з двома паралельними нелінійними опорами.
- •Змішане з’єднання нелінійних опорів
- •Приклад розрахунку схеми стабілізації струму.
- •Перехідні процеси в електричних колах Закони комутації
- •Загальні принципи аналізу перехідних процесів
- •Лекція 5. Основні поняття змінного струму План
- •Змінний струм Передмова
- •Основні поняття
- •Діюче (ефективне, середньоквадратичне) значення.
- •Середнє значення змінного струму.
- •Зображення синусоїдальних величин векторами Векторна діаграма
- •Елементи кіл змінного струму
- •Активний опір на змінному струмі.
- •Індуктивність на змінному струмі. Котушка індуктивності.
- •Котушка індуктивності на змінному струмі
- •Конденсатор на змінному струмі.
- •Конденсатор на змінному струмі
- •Символічний метод
- •Нагадування про комплексні числа Форми запису комплексних чисел
- •Дії над комплексними числами
- •Уявлення параметрів електричного змінного струму через комплексні числа
- •Лекція 6. Аналіз кіл синусоїдального струму. План
- •Розрахунок кіл синусоїдального струму. Закони Кірхгофа
- •Опір і провідність в комплексній формі.
- •Активна, реактивна і повна потужність.
- •Розрахунок складних кіл змінного струму.
- •Значення cos.
- •Лекція 7. Електричні коливання. План
- •Аналіз електричного стану розгалужених кіл. Коливальний контур.
- •Резонанс напруг.
- •Резонанс струмів.
- •Лекція 8. Трифазні кола. План
- •Трифазна система ерс. Передмова
- •Устрій генератора трифазного струму
- •Незв’язана система трифазних струмів
- •Основні схеми з’єднання в трифазних колах з’єднання за схемою «зірка»
- •Потужність трифазного кола.
- •Розрахунок трифазного кола. Трипровідна система із симетричним навантаженням.
- •Чотирипровідна система при несиметричному навантаженні.
- •З’єднання за схемою “трикутник” з’єднання споживачів за схемою “трикутник”.
- •З’єднання обмоток генератора за схемою «трикутник».
- •З’єднання «зірка – трикутник»
- •З’єднання «трикутник – трикутник»
- •З’єднання «трикутник – зірка»
- •Устрій однофазного трансформатора
- •Режими роботи трансформатора
- •Холостий хід трансформатора
- •Навантажений режим трансформатора. Робота трансформатора.
- •Рівняння намагнічуючих сил трансформатора.
- •Векторна діаграма навантаженого трансформатора.
- •Схеми заміщення.
- •Лекція 10. Особливості використання трансформаторів.
- •Зміна вторинної напруги трансформатора
- •Трифазні трансформатори
- •Устрій трифазного трансформатора
- •Групи з'єднання обмоток трифазного трансформатора.
- •Навантажувальна здатність трансформатора Номінальні параметри трансформатора
- •Дослід короткого замикання
- •Дослід холостого ходу
- •Коефіцієнт корисної дії (к.К.Д.) трансформатора.
- •Автотрансформатори
- •Лекція 11. Асинхронні електричні машини.
- •Принцип дії асинхронної машини
- •Магнітне поле, що обертається
- •Режими роботи асинхронної машини
- •Конструкція ротора
- •Механічні характеристики асинхронного двигуна.
- •Баланс активних потужностей асинхронного двигуна. Баланс активних потужностей асинхронного двигуна можна уявити таким рівнянням
- •Асинхронний лінійний двигун (лад).
- •Однофазний асинхронний двигун.
- •Лекція 12. Синхронні генератори.
- •ОтриманнясинусоїдальноїЕрс.
- •Багатополюсні генератори.
- •Робочий процес синхронного генератора Холостий хід.
- •Реакція якоря.
- •Зовнішня і регулювальна характеристики.
- •Синхронний двигун
- •Принцип роботи синхронного двигуна.
- •Лекція 13. Машини постійного струму. План
- •Машини постійного струму.
- •Устрій та принцип дії генератора постійного струму
- •Магнітна система.
- •Ерс генератора.
- •Збудження генератора.
- •Генератор з паралельним збудженням.
- •Реакція якоря.
- •Комутація.
- •Зовнішня характеристика.
- •Виникнення електромагнітного обертаючого моменту.
- •Лекція 14. Вступ до електроніки. Напівпровідники.
- •Вступ до розділу «Електроніка».
- •Електричні властивості напівпровідників. Уявлення про основи зонної теорії твердого тіла.
- •Власна провідність.
- •Домішкова провідність.
- •Лекція 15. Використання властивостей електронно-діркового переходу.
- •Напівпровідниковий діод і його застосування. Напівпровідниковий діод
- •Спрямляючі діоди
- •Схеми спрямовувачів.
- •Стабілітрони.
- •Варикап.
- •Тунельний та інші види діодів.
- •Лекція 16. Транзистори.
- •Класи транзисторів.
- •Устрій та принцип дії біполярного транзистора.
- •Режими роботи біполярного транзистора.
- •Способи включення та характеристики схем включення.
- •Статичні і динамічні характеристики схем включення.
- •Хрест-характеристика транзистора
- •Лекція 17.Підсилювачі.
- •Підсилювачі.
- •Характеристики підсилювачів
- •Зворотний зв'язок.
- •Електронний генератор синусоїдальних електричних коливань
- •Лекція 18. Мп – нові масові засоби цифрової техніки
- • Вступ до модуля “Мікропроцесорна техніка”.
- •Вступ до модуля “Мікропроцесорна техніка”.
- •Уявлення про інтегральні схеми
- •Уявлення про мікропроцесорні засоби
- •Типова структура мікропроцесорного пристрою
- •Лекція 19. Арифметичні основи мікропроцесорних систем.
- •Загальні відомості про уявлення інформації в мп-системах
- •Додаткова інформація
- •Кодування чисел в мп-системах
- •Лекція 20. Логічні основи мп-систем.
- •Логічні операції
- •Логічні елементи мп-систем
- •За способом кодування двійкових змінних електронними сигналами електронні елементи можуть бути імпульсними, потенціальними, імпульсно-потенціальними, фазовими.
- •Лекція 21. Схемна реалізація логічних елементів.
- • Схемна реалізація логічних функцій на прикладі функцій “не”, “і”, “або”, 3і–не”, “3або–не” та ін.
- •Лекція 22. Тригери.
- •Типи тригерів за способом функціонування.
- •Синхронний однотактний rs–тригер.
- •Синхронний двотактний rs–тригер.
- •Лекція 23. Регістри.
- •Регістри прийому і передачі інформації.
- •Приклади схемної реалізації зсуваючого регістру
- •Лекція 24. Виконання порозрядних логічних операцій при передачі інформації між регістрами.
- •Виконання порозрядних операцій «логічне додавання», «логічне множення».
- •Виконання порозрядної операції «складання за mod 2».
- •Лекція 25 Лічильники.
- •Лічильник як вузол мп-системи. Призначення та класифікація
- •Лічильник з безпосередніми зв’язками з послідовним переносом.
- •Лічильник з паралельним переносом.
- •Реверсивний лічильник з послідовним переносом.
- •Лекція 26. Схеми дешифраторів.
- •Дешифратори. Класифікація.
- •Лекція 27.Шифратори, мультиплексори та демультиплексори.
- •Шифратори і перетворювачі кодів
- •Мультиплексори
- •Демультиплексор
- •Лекція 28.Суматор.
- •Суматор як вузол мп-системи. Призначення та класифікація.
- •Однорозрядний комбінаційний суматор.
- •Однорозрядний накопичуючий суматор.
- •Багаторозрядні суматори
- •Лекція 29. Пам’ять мікропроцесорних систем.
- •Запам’ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем. Оперативні запам’ятовуючі пристрої.
- •Запам’ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем
- •Оперативні запам’ятовуючі пристрої
- •Постійні запам’ятовуючі пристрої
- •Лекція 30. Мікропроцесор.
- •Типова структура мікропроцесора.
- •Основні сигнали процесора.
- •А0а15 – виводи мп, які приєднуються до ша мп-системи;
- •D0d7 – двонапрямлені виводи мп, які приєднуються до шд мп-системи;
- •Лекція 31. Мікропроцесорні системи.
- •Особливості побудови мп-систем
- •Мікропроцесорні засоби в системах керування
- •Лекція 32. Перетворювачі сигналів.
- •Принцип перетворення напруги в цифровий код.
- •Аналого-цифрові перетворювачі (ацп).
- •Перетворювачі напруги в код.
- •Перетворювачі кута повороту в код.
- •Цифрово-аналогові перетворювачі.
- •Перетворювач коду в напругу.
- •Перетворювач коду в кут повороту.
- •Література
Статичні і динамічні характеристики схем включення.
Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.
Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на вході і виході транзистора. Ці характеристики використовуються в розрахунках параметрів оптимальних режимів його роботи. Можливі різні комбінації струмів і напруг в залежностях, але практично використовуються тільки вхідні і вихідні статичні характеристики для двох основних схем включення – із спільною базою і із спільним емітером.
Длясхем із спільною базою вхідні статичні характеристики – це залежність струму емітера ІЕ від напруги між емітером і базою UЕБ при незмінній напрузі між колектором і базою UКБ: ІЕ = f(UЕБ) при UКБ = const. Показана залежність аналогічна вольт-амперній характеристиці прямо включеного p-n переходу. Напруга UКБ мало впливає на струм емітера, оскільки вона зосереджена на колекторному переході і майже не впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Тому в довідниках для даного типу транзистора наводиться лише дві вхідні характеристики – одну для UКБ = 0 В, і другу, зняту при UКБ 0 В, наприклад при UКБ = –5 В.
Робота транзистора, при якій і на емітерний, і на колекторний переходи подані зворотні напруги відповідає режиму відсікання.
Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільною базою складаються із залежностей струму колектора ІК від напруги між колектором і базою UКБ при незмінних значення емітерного струму ІЕ: ІК = (UКБ) при ІЕ = const.
Графіки колекторного струмуІК аналогічні вольт-амперній характеристиці зворотно включеного p-n переходу. При робочій полярності напруги UКБ , коли колекторний перехід включений в зворотному напрямку1, вихідні характеристики уявляють собою майже прямі лінії з невеликим відхилом від горизонталі. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв зарядів, які проникають із емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму в основному визначається величиною струму емітера і незначно залежить від напруги UКБ, прикладеної до колекторного переходу.
При вхідному струмі ІЕ = 0 і UКБ > 0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис, що відповідає звичайній характеристиці зворотного струму p-n переходу. Струм ІКБ 0, що визначається такою характеристикою, є некерованим і є одним з параметрів транзистора. Із збільшенням струму ІЕ колекторний струм збільшується на ІК = ІЕ – ІКБ 0, що і відображує сімейство графіків.
Невеликий нахил характеристик пояснюється впливом напруги UКБ на ширину бази: при збільшенні напруги база звужується за рахунок розширення колекторного переходу, послаблюється рекомбінація в базовому шарі і дещо зростає коефіцієнт передачі струму , що і зумовлює деяке збільшення струму колектора ІК = ІЕ + ІКБ 0 при ІЕ = const. Нахил характеристик круто зростав би при наближенні UКБ до напруги пробою p-n переходу.
При зміні полярності напруги UКБ струм ІК різко зменшується і досягає нуля при значеннях UКБ близько десятих долей вольта. В цьому випадку колекторний перехід працює в прямому напрямку, струм через цей перехід різко збільшується і проходить в напрямку, зворотному нормальному робочому струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Відповідні ділянки характеристик на рисунку показані пунктирними лініями, вони не є робочими і звичайно на графіках не наводяться.
Робота транзистора, при якому емітерний перехід включений в прямому напрямку (UЕБ < 0), а колекторний – в зворотному (UКБ > 0), відповідає активному (підсилюючому) режиму, а коли обидва переходи виявляються прямо включеними (UЕБ < 0, UКБ < 0) – режиму насичення.
Вхідні статичні характеристики для схеми із спільним емітером є графіками залежності струму бази ІБ від напруги UБЕ при незмінному значенні UКЕ: ІБ = f(UБЕ) при UКЕ = const.
Якщо коло колектора розімкнене (ІК = 0), крива проходить через початок координат.
Зростом напругиUКЕ струм ІБ зменшується, оскільки при збільшенні UКЕ зростає напруга, що прикладається до колекторного переходу в зворотному напрямку, майже всі носії швидко втягуються в колектор і ймовірність їх рекомбінації в базі зменшується.
При UКЕ = 0 (колектор і емітер замкнені на коротко) і UБЕ > 0 обидва переходи з’єднані паралельно і приєднані до джерела в прямому напрямку.
При збільшені напруги на колекторі UКЕ характеристики зміщуються вправо і вниз, тобто струм ІБ зменшується. Це пояснюється звуженням ширини бази, що супроводжується ослабленням рекомбінації носіїв. Зміщення графіків вниз при малих напругах (UКБ < 1 В) відбувається тому, що обидва переходи включені зустрічно і базовий струм стає рівним різниці струмів: ІБ = ІЕ – ІК. При подальшому збільшенні напруги UКЕ зсув вхідних характеристик незначний, і вони практично співпадають. Тому в довідниках звичайно наводяться одна-дві криві.
Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільним емітером складаються із залежностей струму колектора ІК від напруги між колектором і емітером при фіксованому струмі бази: ІК = f(UКЕ) при ІБ = const.
В схемі із спільним емітером напруга, що прикладається до колекторного переходу дорівнює UКЕ – UБЕ, оскільки ці напруги між точками колектор–база виявляються включеними зустрічно. Тому при |UКЕ | < |UБЕ | напруга на колекторному переході відповідає прямій напрузі. Це зумовлює стрімке зростання струму на початковій ділянці – від UКЕ = 0 до |UКЕ | = |UБЕ |. Далі, при |UКЕ | > |UБЕ | (аж до допустимого значення UКЕ), крутизна характеристик зменшується, вони майже горизонтальні.
Положення кожної з вихідних характеристик залежить, головним чином, від струму бази (ІБ1 < IБ2 < … < IБ5).
На сімействі вихідних характеристик виділені три області, властиві трьом режимам роботи транзистора: режим відсічки (1), активний режим (підсилення) (2) і режим насичення (3). Графік, відповідний струму бази ІКБ 0, проходить через початок координат і при UКЕ > 1 В визначає зону відсічки. Активна зона розташована між зонами відсічки, насичення і лінією, яка визначає ІК через допустиму потужність, що розсіюється колектором (наводиться в довідниках).
Статичні характеристики транзистора в схемі із спільним колектором подібні характеристикам транзистора в схемі із спільним емітером. Вхідним колом транзистора є базово-колекторний перехід, що має великий внутрішній опір, оскільки виявляється включеним в зворотному напрямку. Керуючим струмом є невеликий струм бази; вихідні струми (ІЕ або ІК) відрізняються незначно.
Динамічними характеристиками транзистора визначається режим роботи транзистора – динамічний режим, коли у вихідному колі є навантаження, а на вхід подається певний сигнал. Динамічний режим відрізняється від статичного сильним взаємним впливом параметрів транзистора і елементів схеми. В цьому режимі напруга джерела живлення ЕК (на рисунках для схем включення а, б, в – Е2) неперервно перерозподіляється між опором навантаження Rн і вихідними електродами транзистора у відповідності з виразом:
UКЕ = ЕК – ІКRн.
Наведений вираз є рівнянням динамічного режиму для вихідного кола. Зміна напруги на вході транзистора викликає відповідну зміну струму емітера, бази, а отже , і струму колектора ІК. Це призводить до зміни напруги на Rн, в результаті чого змінюється напруга UКЕ.
Побудова динамічних характеристик здійснюється з метою вибору оптимального (найкращого) режиму роботи транзистора. Початковими є дані про вхідний сигнал і потужність, що споживається навантаженням, а також статичні вхідні і вихідні характеристики та параметри транзистора, що наводяться в довідниках.
Найчастіше використовуютьсявихідні і вхідні динамічні характеристики.
З рівняння динамічного режиму випливає рівняння:
ІК = (ЕК – UКЕ) / Rн = ЕК / Rн – UКЕ / Rн.
Пряма лінія, що відповідає останньому рівнянню, називається навантажувальною прямою або лінією навантаження. Вона уявляє собою вихідну динамічну характеристику і будується на сімействі статичних вихідних характеристик за двома точками – А і В. Розташування лінії навантаження на статичних характеристиках однозначно визначається напругою джерела живлення ЕК і опором резистора Rн. В точці А ІК = 0, а UКЕ = ЕК. Це відповідає закритому стану емітерного переходу транзистора. При цьому струм в опорі навантаження відсутній і падіння напруги на навантаженні дорівнює нулю. Отже, вся напруга джерела живлення ЕК виявляється прикладеною до ділянки колектор – емітер транзистора.
Точка перетину лінії навантаження із віссю струмів В є точка, для якої виконується умова ІК = ЕК / Rн, оскільки струм колектора у випадку повністю відкритого (або закороченого) транзистора обмежувався би тільки величиною опору Rн.
Всі проміжні точки лінії навантаження характеризують можливі напруги і струми у відповідних колах транзистора при подачі сигналу з урахуванням опору навантаження. Будь якому струму бази відповідає певне значення струму колектора і колекторної напруги. Так на рисунку показано, що струму бази ІБ2 відповідає напруга UКЕ(ІБ2) та струм через навантаження ІК(ІБ2).
Вхідна динамічна характеристика уявляє собою залежність вхідного струму від вхідної напруги в динамічному режимі при незмінних напрузі живлення і опорі навантаження.
Вхідна динамічна характеристика будується по точкам перетину лінії навантаження із статичними вихідними характеристиками. Для кожної напруги на колекторі за вихідною динамічною характеристикою визначається відповідний струм бази. Потім на вхідних статичних характеристиках відмічаються точки (А, В, С), що відповідають знайденим значенням струмів бази. Лінія АВС, яка з’єднує точки, є вхідною динамічною характеристикою транзистора (штрихова лінія на вхідній статичній характеристиці).
Оскільки вхідні статичні характеристики розташовуються досить щільно, іноді для спрощення аналізу роботи і розрахунку параметрів схеми з транзистором вхідну динамічну характеристику не будують, а приймають за таку одну із вхідних статичних характеристик, що відповідає деякій напрузі на колекторі, відмінній від нуля.